DE102022113435A1

DE102022113435A1 - Electric machine and method for operating an electric machine

Info

Publication number: DE102022113435A1
Application number: DE102022113435.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Roth
Original assignee: FEAAM GmbH
Current assignee: FEAAM GmbH
Priority date: 2022-05-27
Filing date: 2022-05-27
Publication date: 2023-11-30
Also published as: US20230387741A1; CN117134522A

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine (20) angegeben, die elektrische Maschine (20) umfassend einen Stator (21), und einen relativ zum Stator (21) beweglichen Rotor (22), wobei der Stator (21) einen Statorkern (23), in welchem mindestens sechs Nuten (24) angeordnet sind, umfasst, der Stator (21) eine verteilte elektrische Wicklung (25), welche zumindest teilweise in den Nuten (24) angeordnet ist, umfasst, der Stator (21) mindestens sechs Zähne (26) umfasst, zwischen zwei benachbarten Nuten (24) jeweils ein Zahn (26) des Stators (21) ausgebildet ist, mindestens drei der Zähne (26) eine Ausnehmung (27) aufweisen, welche sich zumindest teilweise durch den jeweiligen Zahn (26) erstreckt, und im Betrieb der elektrischen Maschine (20) eine Arbeitswelle der magnetomotorischen Kraft verschieden von einer Grundwelle des Magnetflusses ist. Außerdem wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (20) angegeben.

An electrical machine (20) is specified, the electrical machine (20) comprising a stator (21) and a rotor (22) movable relative to the stator (21), the stator (21) having a stator core (23). in which at least six slots (24) are arranged, the stator (21) comprises a distributed electrical winding (25), which is at least partially arranged in the slots (24), the stator (21) comprises at least six teeth (26) comprises, a tooth (26) of the stator (21) is formed between two adjacent grooves (24), at least three of the teeth (26) have a recess (27) which extends at least partially through the respective tooth (26), and during operation of the electric machine (20), a working wave of the magnetomotive force is different from a fundamental wave of the magnetic flux. A method for operating an electrical machine (20) is also specified.

Description

Es werden eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine angegeben.An electrical machine and a method for operating an electrical machine are specified.

Typischerweise umfassen elektrische Maschinen einen Stator und einen dazu relativ beweglichen Rotor. Elektrische Maschinen können motorisch oder generatorisch arbeiten, wobei elektrische Energie in Bewegungsenergie oder umgekehrt konvertiert wird. Im Betrieb interagiert ein Magnetfeld des Rotors mit einem Magnetfeld des Stators. Der Stator weist üblicherweise eine Statorwicklung und einen Eisenkern auf. Die Statorwicklung kann beispielsweise durch verteilte überlappende Wicklungen oder durch zahnkonzentrierte Wicklungen gebildet sein. In beiden Fällen können höhere harmonische Komponenten der magnetomotorischen Kraft den Betrieb der elektrischen Maschine beeinträchtigen.Typically, electrical machines include a stator and a rotor that is relatively movable thereto. Electric machines can work as motors or generators, whereby electrical energy is converted into kinetic energy or vice versa. During operation, a magnetic field of the rotor interacts with a magnetic field of the stator. The stator usually has a stator winding and an iron core. The stator winding can be formed, for example, by distributed, overlapping windings or by tooth-concentrated windings. In both cases, higher harmonic components of the magnetomotive force can affect the operation of the electrical machine.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine elektrische Maschine anzugeben, die effizient betrieben werden kann. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum effizienten Betreiben einer elektrischen Maschine anzugeben.One problem to be solved is to specify an electrical machine that can be operated efficiently. Another task to be solved is to specify a method for efficiently operating an electrical machine.

Die Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The tasks are solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous refinements and further developments are specified in the subclaims.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine umfasst die elektrische Maschine einen Stator und einen relativ zum Stator beweglichen Rotor. Bei dem Rotor kann es sich um einen Innenläufer oder einen Außenläufer handeln. Handelt es sich bei dem Rotor um einen Innenläufer, so ist eine Außenseite des Rotors dem Stator zugewandt. Der Rotor kann auf einer Welle angeordnet sein. Handelt es sich bei dem Rotor um einen Außenläufer, so ist eine Innenseite des Rotors dem Stator zugewandt. Außerdem weist der Rotor eine Rotationsachse auf. Der Stator kann die Form eines Hohlzylinders aufweisen. Zwischen dem Stator und dem Rotor ist ein Luftspalt angeordnet. Der Luftspalt kann sich zwischen dem Stator und dem Rotor in einer Richtung, welche parallel zur Rotationsachse des Rotors verläuft, erstrecken.According to at least one embodiment of the electrical machine, the electrical machine comprises a stator and a rotor that is movable relative to the stator. The rotor can be an internal rotor or an external rotor. If the rotor is an internal rotor, an outside of the rotor faces the stator. The rotor can be arranged on a shaft. If the rotor is an external rotor, an inside of the rotor faces the stator. The rotor also has an axis of rotation. The stator can have the shape of a hollow cylinder. An air gap is arranged between the stator and the rotor. The air gap may extend between the stator and the rotor in a direction that is parallel to the axis of rotation of the rotor.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine umfasst der Stator einen Statorkern, in welchem mindestens sechs Nuten angeordnet sind. Der Statorkern kann Eisen aufweisen. Die Nuten können sich jeweils durch den Statorkern erstrecken. Die Nuten können sich entlang der Rotationsachse des Rotors durch den Stator erstrecken. Die Nuten können sich von einer ersten Seite des Stators bis zu einer zweiten Seite des Stators erstrecken. Somit können sich die Nuten vollständig durch den Statorkern erstrecken. Die Nuten können sich auch vollständig durch den Stator erstrecken. Die Nuten können jeweils zum Luftspalt hin geöffnet sein. Bei den Nuten kann es sich um Ausnehmungen im Statorkern handeln.According to at least one embodiment of the electrical machine, the stator comprises a stator core in which at least six slots are arranged. The stator core may contain iron. The grooves can each extend through the stator core. The grooves may extend through the stator along the axis of rotation of the rotor. The grooves can extend from a first side of the stator to a second side of the stator. The grooves can therefore extend completely through the stator core. The grooves can also extend completely through the stator. The grooves can each be open towards the air gap. The grooves can be recesses in the stator core.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine umfasst der Stator eine verteilte elektrische Wicklung, welche zumindest teilweise in den Nuten angeordnet ist. Bei der elektrischen Wicklung kann es sich um eine Ein-Schicht-Wicklung handeln. Die elektrische Wicklung kann mindestens drei Spulen aufweisen. An der ersten Seite können sich Leiter von verschiedenen Spulen stellenweise überlappen. According to at least one embodiment of the electrical machine, the stator comprises a distributed electrical winding which is at least partially arranged in the slots. The electrical winding can be a single-layer winding. The electrical winding can have at least three coils. On the first side, conductors from different coils can overlap in places.

Es handelt sich bei der elektrischen Wicklung somit nicht um eine zahnkonzentrierte oder konzentrierte Wicklung. Stattdessen kann sich jede Spule der elektrischen Wicklung stellenweise in mindestens zwei Nuten erstrecken. Die elektrische Wicklung kann ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen. Die elektrische Wicklung kann an eine Leistungselektronik angeschlossen sein und dazu ausgelegt sein ein Drehfeld zu erzeugen.The electrical winding is therefore not a tooth-concentrated or concentrated winding. Instead, each coil of the electrical winding can extend in at least two slots in places. The electrical winding can have an electrically conductive material. The electrical winding can be connected to power electronics and designed to generate a rotating field.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine umfasst der Stator mindestens sechs Zähne. Der Statorkern kann die Zähne umfassen. Die Zähne können somit aus dem Statorkern geformt sein. Die Zähne können sich jeweils entlang der Rotationsachse des Rotors durch den Stator erstrecken. Die Zähne können sich vollständig durch den Stator erstrecken. Die Zähne können sich von der ersten Seite des Stators bis zur zweiten Seite des Stators erstrecken. Die Zähne können das gleiche Material wie der Statorkern aufweisen. Der Stator kann mindestens zehn Zähne oder mindestens vierzehn Zähne aufweisen.According to at least one embodiment of the electrical machine, the stator comprises at least six teeth. The stator core can include the teeth. The teeth can thus be formed from the stator core. The teeth can each extend through the stator along the axis of rotation of the rotor. The teeth can extend completely through the stator. The teeth may extend from the first side of the stator to the second side of the stator. The teeth can have the same material as the stator core. The stator may have at least ten teeth or at least fourteen teeth.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine ist zwischen zwei benachbarten Nuten jeweils ein Zahn des Stators ausgebildet. Jeder Zahn kann durch den Bereich des Statorkerns zwischen jeweils zwei Nuten gebildet sein. Die Zähne können gleichmäßig entlang des Umfangs des Stators verteilt sein. Die Nuten können gleichmäßig entlang des Umfangs des Stators verteilt sein. Der Stator kann genauso viele Zähne wie Nuten aufweisen.According to at least one embodiment of the electrical machine, a tooth of the stator is formed between two adjacent slots. Each tooth can be formed by the area of the stator core between two slots. The teeth can be evenly distributed along the circumference of the stator. The grooves can be evenly distributed along the circumference of the stator. The stator can have as many teeth as it does slots.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine weisen mindestens drei der Zähne eine Ausnehmung auf, welche sich zumindest teilweise durch den jeweiligen Zahn erstreckt. Die Ausnehmungen können jeweils frei vom Material des Statorkerns sein. Die Ausnehmungen können somit frei von Magnetfluss führendem Material sein. Dadurch wird der Magnetfluss im Bereich der Ausnehmungen gehemmt. Die Ausnehmungen können jeweils zwischen zwei Nuten angeordnet sein. Die Ausnehmungen können jeweils als zusätzliche Nut im Stator ausgeführt sein. Mindestens ein Zahn des Stators ist frei von den Ausnehmungen. Das kann bedeuten, in mindestens einem Zahn des Stators ist keine Ausnehmung angeordnet. Es ist weiter möglich, dass die Hälfte der Zähne des Stators frei von den Ausnehmungen ist.According to at least one embodiment of the electric machine, at least three of the teeth have a recess which extends at least partially through the respective tooth. The recesses can each be free of the material of the stator core. The recesses can therefore be free of material that carries magnetic flux. This causes the magnetic flux in the off area activities inhibited. The recesses can each be arranged between two grooves. The recesses can each be designed as an additional groove in the stator. At least one tooth of the stator is free of the recesses. This can mean that there is no recess in at least one tooth of the stator. It is also possible for half of the teeth of the stator to be free of the recesses.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine ist im Betrieb der elektrischen Maschine eine Arbeitswelle der magnetomotorischen Kraft verschieden von einer Grundwelle des Magnetflusses. Die Arbeitswelle ist die harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft, welche hauptsächlich zur Drehmomenterzeugung genutzt wird. Die harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft erhält man zum Beispiel, wenn die magnetomotorische Kraft in ihre harmonischen Komponenten, beispielsweise mittels einer Fourier-Zerlegung, aufgespalten wird. Die Grundwelle ist dabei die harmonische Komponente der Ordnung 1. Im Betrieb der elektrischen Maschine wird also zur Drehmomenterzeugung eine harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft mit einer Ordnung, welche verschieden von 1 ist, genutzt. Die Ordnung harmonischen Komponente, welche als Arbeitswelle genutzt wird, kann größer als 1 sein.According to at least one embodiment of the electric machine, a working wave of the magnetomotive force is different from a fundamental wave of the magnetic flux during operation of the electric machine. The working shaft is the harmonic component of the magnetomotive force, which is mainly used to generate torque. The harmonic components of the magnetomotive force are obtained, for example, when the magnetomotive force is split into its harmonic components, for example using a Fourier decomposition. The fundamental wave is the harmonic component of order 1. During operation of the electric machine, a harmonic component of the magnetomotive force with an order that is different from 1 is used to generate torque. The order harmonic component, which is used as the working wave, can be greater than 1.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine umfasst die elektrische Maschine einen Stator, und einen relativ zum Stator beweglichen Rotor, wobei der Stator einen Statorkern, in welchem mindestens sechs Nuten angeordnet sind, umfasst, der Stator eine verteilte elektrische Wicklung, welche zumindest teilweise in den Nuten angeordnet ist, umfasst, der Stator mindestens sechs Zähne umfasst, zwischen zwei benachbarten Nuten jeweils ein Zahn des Stators ausgebildet ist, mindestens drei der Zähne eine Ausnehmung aufweisen, welche sich zumindest teilweise durch den jeweiligen Zahn erstreckt, und im Betrieb der elektrischen Maschine eine Arbeitswelle der magnetomotorischen Kraft verschieden von einer Grundwelle des Magnetflusses ist.According to at least one embodiment of the electrical machine, the electrical machine comprises a stator and a rotor movable relative to the stator, the stator comprising a stator core in which at least six slots are arranged, the stator comprising a distributed electrical winding which is at least partially in the Grooves are arranged, the stator comprises at least six teeth, a tooth of the stator is formed between two adjacent grooves, at least three of the teeth have a recess which extends at least partially through the respective tooth, and during operation of the electrical machine one Working wave of the magnetomotive force is different from a fundamental wave of the magnetic flux.

In den Ausnehmungen im Stator kann ein nicht magnetisches Material angeordnet sein. Beispielsweise ist in den Ausnehmungen Luft angeordnet. Somit wirken die Ausnehmungen als Flussbarrieren im Stator. Das kann bedeuten, dass die Ausnehmungen jeweils eine mechanische Barriere zur Reduzierung der Grundwelle des Magnetflusses bilden. Je nach Aufbau der elektrischen Maschine kann die Grundwelle um über 90 % geschwächt werden durch das Verwenden von Ausnehmungen im Stator. Gleichzeitig kann die Arbeitswelle gestärkt werden. Das kann bedeuten, dass die Grundwelle der magnetomotorischen Kraft für einen Stator mit Flussbarrieren reduziert ist im Vergleich zu der Grundwelle der magnetomotorischen Kraft für einen Stator ohne Flussbarrieren. Außerdem kann für mindestens eine harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft mit einer Ordnung von größer als 1 für einen Stator mit Flussbarrieren die Amplitude erhöht sein im Vergleich zu der harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft mit der gleichen Ordnung für einen Stator ohne Flussbarrieren.A non-magnetic material can be arranged in the recesses in the stator. For example, air is arranged in the recesses. The recesses therefore act as flux barriers in the stator. This can mean that the recesses each form a mechanical barrier to reduce the fundamental wave of the magnetic flux. Depending on the design of the electrical machine, the fundamental wave can be weakened by over 90% by using recesses in the stator. At the same time, the work wave can be strengthened. This may mean that the fundamental magnetomotive force for a stator with flux barriers is reduced compared to the fundamental magnetomotive force for a stator without flux barriers. Additionally, for at least one harmonic component of the magnetomotive force with an order greater than 1 for a stator with flux barriers, the amplitude may be increased compared to the harmonic component of the magnetomotive force with the same order for a stator without flux barriers.

Die harmonische Komponente mit der größten Amplitude kann als Arbeitswelle verwendet werden. Im Vergleich zu einem Stator ohne Ausnehmungen ist somit bei dem Stator mit Ausnehmungen die Amplitude zumindest einiger der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft, welche nicht als Arbeitswelle verwendet werden, reduziert im Vergleich zu einem Stator ohne Ausnehmungen. Daher treten im Betrieb der elektrischen Maschine weniger Verluste auf. Das bedeutet, dass die elektrische Maschine effizient betrieben werden kann.The harmonic component with the largest amplitude can be used as the working wave. In comparison to a stator without recesses, the amplitude of at least some of the harmonic components of the magnetomotive force, which are not used as a working wave, is reduced in the stator with recesses compared to a stator without recesses. Therefore, fewer losses occur during operation of the electrical machine. This means that the electric machine can be operated efficiently.

Um wie viel die Amplitude der Grundwelle reduziert ist und um wie viel die Amplitude von harmonischen Komponenten mit einer Ordnung von größer als 1 erhöht sind, hängt vom Aufbau des Stators ab.How much the amplitude of the fundamental wave is reduced and how much the amplitude of harmonic components with an order greater than 1 are increased depends on the structure of the stator.

Es ist weiter möglich, dass die elektrische Maschine für eine harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft mit einer Ordnung von größer als 1 einen Wicklungsfaktor von größer als 1 aufweist. Der Wicklungsfaktor kann durch das Produkt aus Zonungsfaktor und Sehnungsfaktor gegeben sein. In elektrischen Maschinen ohne Ausnehmungen oder Flussbarrieren ist der Wicklungsfaktor maximal 1. Werden zur Berechnung des Wicklungsfaktors auch die Ausnehmungen im Stator mit einbezogen, so ergibt sich für die hier beschriebene elektrische Maschine ein Wicklungsfaktor von größer als 1 für einige harmonische Komponenten der magnetomotorischen Kraft mit einer Ordnung von größer als 1. Bei einem Wicklungsfaktor von größer als 1 kann bei gleichem Versorgungsstrom insgesamt ein größeres Drehmoment erzeugt werden. Somit kann die elektrische Maschine effizient betrieben werden.It is also possible for the electric machine to have a winding factor of greater than 1 for a harmonic component of the magnetomotive force with an order of greater than 1. The winding factor can be given by the product of the zoning factor and the tension factor. In electrical machines without recesses or flux barriers, the winding factor is a maximum of 1. If the recesses in the stator are also included to calculate the winding factor, this results in a winding factor of greater than 1 for some harmonic components of the magnetomotive force with a for the electrical machine described here Order of greater than 1. With a winding factor of greater than 1, a greater overall torque can be generated with the same supply current. The electric machine can therefore be operated efficiently.

Die Ausbildung der Ausnehmungen im Stator erfordert in der Herstellung keinen nennenswerten Zusatzaufwand, da die Blechpakete des Stators ohnehin üblicherweise Stanzteile sind und die Ausnehmungen im gleichen Arbeitsschritt ausgestanzt werden können.The formation of the recesses in the stator does not require any significant additional effort in production, since the laminated cores of the stator are usually stamped parts anyway and the recesses can be punched out in the same work step.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine weist die elektrische Wicklung Spulen auf, welche jeweils um mindestens zwei der Zähne gewickelt sind. Das kann bedeuten, dass jede Spule der elektrischen Wicklung um mindestens zwei der Zähne gewickelt ist. Somit handelt es sich bei der elektrischen Wicklung um eine verteilte Wicklung. Die elektrische Wicklung kann mindestens drei Spulen aufweisen. An der ersten Seite und oder an der zweiten Seite des Stators können einzelne Leiterabschnitte der Spulen miteinander überlappen. Durch das Einbringen der Ausnehmungen in den Stator kann die Flussdichte von harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft mit einer Ordnung von größer als 1 für die verteilte elektrische Wicklung verstärkt werden.According to at least one embodiment of the electrical machine, the electrical winding has coils which are each wound around at least two of the teeth. This can mean that each coil of the electrical winding is wound around at least two of the teeth. The electrical winding is therefore a distributed winding. The electrical winding can have at least three coils. Individual conductor sections of the coils can overlap with one another on the first side and/or on the second side of the stator. By introducing the recesses into the stator, the flux density of harmonic components of the magnetomotive force with an order greater than 1 for the distributed electrical winding can be increased.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine sind die Ausnehmungen frei von der elektrischen Wicklung. Das kann bedeuten, dass die elektrische Wicklung nicht in den Ausnehmungen angeordnet ist. Die Ausnehmungen können frei von elektrisch leitfähigem Material sein. Dass die Ausnehmungen frei von der elektrischen Wicklung sind, ermöglicht, dass die Ausnehmungen als Flussbarrieren wirken.According to at least one embodiment of the electrical machine, the recesses are free of the electrical winding. This can mean that the electrical winding is not arranged in the recesses. The recesses can be free of electrically conductive material. The fact that the recesses are free of the electrical winding allows the recesses to act as flux barriers.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine erstrecken sich die Ausnehmungen jeweils in einer radialen Richtung, wobei die radialen Richtungen jeweils parallel zu einem Radius in einem Querschnitt durch den Stator verlaufen und der Radius durch den jeweiligen Zahn verläuft. Die Ausnehmungen können jeweils eine langgestreckte Erstreckung entlang einer radialen Richtung aufweisen. Dabei kann jede Ausnehmung sich entlang einer anderen radialen Richtung erstrecken als die anderen Ausnehmungen. Die Ausnehmungen können sich jeweils in einer der radialen Richtungen vollständig durch den Stator erstrecken. Es ist auch möglich, dass in jeder Ausnehmung mindestens ein Verbindungsstück angeordnet ist, sodass die Ausnehmungen entlang der jeweiligen radialen Richtungen mindestens eine Unterbrechung aufweisen. Dadurch, dass sich die Ausnehmungen entlang der radialen Richtungen erstrecken, können die Ausnehmungen jeweils zwei Nuten voneinander trennen. Das kann bedeuten, dass sich die Ausnehmungen jeweils zwischen zwei Nuten erstrecken. Dadurch können die Ausnehmungen als Flussbarrieren wirken.According to at least one embodiment of the electric machine, the recesses each extend in a radial direction, the radial directions each running parallel to a radius in a cross section through the stator and the radius running through the respective tooth. The recesses can each have an elongated extension along a radial direction. Each recess can extend along a different radial direction than the other recesses. The recesses can each extend completely through the stator in one of the radial directions. It is also possible for at least one connecting piece to be arranged in each recess, so that the recesses have at least one interruption along the respective radial directions. Because the recesses extend along the radial directions, the recesses can each separate two grooves from one another. This can mean that the recesses each extend between two grooves. This allows the recesses to act as flow barriers.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine erstrecken sich die Ausnehmungen entlang der jeweiligen radialen Richtung weiter als die benachbarten Nuten. Das kann bedeuten, dass sich jede Ausnehmung entlang der radialen Richtung, entlang welcher sie sich erstreckt, weiter als die zwei direkt zur jeweiligen Ausnehmung benachbarten Nuten erstreckt. Somit können die Ausnehmungen in einem Querschnitt durch den Stator jeweils eine längere Erstreckung aufweisen als die Nuten. Die Ausnehmungen können sich von einer Außenseite des Stators in Richtung einer Innenseite des Stators erstrecken. Dabei können sich die Ausnehmungen jeweils entlang einer radialen Richtung in einen der Zähne bis zu einem Bereich des jeweiligen Zahns erstrecken, der benachbart zum Rotor ist. Dadurch, dass sich die Ausnehmungen weiter als die benachbarten Nuten erstrecken, trennen die Ausnehmungen jeweils zwei Nuten voneinander. Somit können die Ausnehmungen als Flussbarrieren wirken.According to at least one embodiment of the electrical machine, the recesses extend further along the respective radial direction than the adjacent grooves. This can mean that each recess extends further along the radial direction along which it extends than the two grooves directly adjacent to the respective recess. The recesses in a cross section through the stator can therefore each have a longer extension than the grooves. The recesses can extend from an outside of the stator towards an inside of the stator. The recesses can each extend along a radial direction in one of the teeth up to a region of the respective tooth that is adjacent to the rotor. Because the recesses extend further than the adjacent grooves, the recesses separate two grooves from each other. The recesses can therefore act as flow barriers.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine sind die Ausnehmungen derart ausgebildet, dass eine harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft, welche als Arbeitswelle verwendet wird, eine größere Amplitude aufweist als eine harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft der gleichen Ordnung einer elektrischen Maschine ohne Ausnehmungen. Das kann bedeuten, dass die Ausnehmungen dazu führen, dass die Amplitude einer harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft, welche als Arbeitswelle verwendet wird, erhöht ist im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine keine Ausnehmungen aufweist. Die elektrische Maschine kann somit effizienter betrieben werden.According to at least one embodiment of the electrical machine, the recesses are designed such that a harmonic component of the magnetomotive force, which is used as a working shaft, has a larger amplitude than a harmonic component of the magnetomotive force of the same order of an electrical machine without recesses. This can mean that the recesses cause the amplitude of a harmonic component of the magnetomotive force, which is used as a working shaft, to be increased compared to the case where the electric machine has no recesses. The electric machine can therefore be operated more efficiently.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine ist die elektrische Maschine kein Schrittmotor.According to at least one embodiment of the electrical machine, the electrical machine is not a stepper motor.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine bildet jede der Ausnehmungen eine mechanische Barriere um die Grundwelle des Magnetflusses zu reduzieren und die Arbeitswelle der magnetomotorischen Kraft zu erhöhen. Die elektrische Maschine kann somit effizienter betrieben werden.According to at least one embodiment of the electrical machine, each of the recesses forms a mechanical barrier to reduce the fundamental wave of the magnetic flux and increase the working wave of the magnetomotive force. The electric machine can therefore be operated more efficiently.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine erstrecken sich die Ausnehmungen entlang einer Richtung, welche sich senkrecht zu einem Querschnitt durch den Stator erstreckt. Das kann bedeuten, dass sich die Ausnehmungen entlang einer Richtung erstrecken, welche parallel zur Rotationsachse des Rotors verläuft. Somit können sich die Ausnehmungen von der ersten Seite des Stators zur zweiten Seite des Stators erstrecken. Die Ausnehmungen können sich von der ersten Seite vollständig bis zur zweiten Seite des Stators erstrecken. Es ist auch möglich, dass in den Ausnehmungen jeweils mindestens ein Verbindungssteg entlang der Strecke von der ersten Seite bis zur zweiten Seite angeordnet ist. Dadurch kann die mechanische Stabilität des Stators erhöht werden. Dadurch, dass sich die Ausnehmungen in einer Richtung, welche sich senkrecht zum Querschnitt durch den Stator erstreckt, erstrecken, können die Ausnehmungen als Flussbarrieren wirken.According to at least one embodiment of the electrical machine, the recesses extend along a direction that extends perpendicular to a cross section through the stator. This can mean that the recesses extend along a direction that is parallel to the axis of rotation of the rotor. The recesses can thus extend from the first side of the stator to the second side of the stator. The recesses can extend completely from the first side to the second side of the stator. It is also possible for at least one connecting web to be arranged in each of the recesses along the route from the first side to the second side. This allows the mechanical stability of the stator to be increased. Because the recesses extend in a direction that extends perpendicular to the cross section through the stator, the recesses can act as flux barriers.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine ist in den Ausnehmungen jeweils ein nicht magnetisches Material angeordnet. Das nicht magnetische Material kann die Ausnehmungen jeweils vollständig ausfüllen. Beispielsweise ist in den Ausnehmungen Luft angeordnet. Dadurch, dass in den Ausnehmungen nicht magnetisches Material angeordnet ist, können die Ausnehmungen als Flussbarrieren wirken.According to at least one embodiment of the electrical machine, a non-magnetic material is arranged in the recesses. The non-magnetic material can completely fill the recesses. For example, air is arranged in the recesses. Because non-magnetic material is arranged in the recesses, the recesses can act as flux barriers.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine sind die Ausnehmungen gleichmäßig entlang des Umfangs des Stators verteilt. Das kann bedeuten, dass jeweils zwei direkt benachbarte Ausnehmungen entlang des Umfangs des Stators den gleichen Abstand zueinander aufweisen. Somit können die Ausnehmungen für verschiedene Pole des Stators in gleicher Weise als Flussbarrieren wirken.According to at least one embodiment of the electrical machine, the recesses are evenly distributed along the circumference of the stator. This can mean that two directly adjacent recesses along the circumference of the stator are at the same distance from one another. The recesses for different poles of the stator can therefore act as flux barriers in the same way.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine grenzen die Ausnehmungen jeweils an mindestens eine Außenseite des Stators an. Es ist möglich, dass die Ausnehmungen an eine am äußeren Umfang des Stators angeordnete Außenseite des Stators angrenzen. Die Ausnehmungen können zur Außenseite des Stators geöffnet sein. Es ist auch möglich, dass die Ausnehmungen an eine Innenseite des Stators angrenzen. Die Ausnehmungen können zur Innenseite des Stators geöffnet sein. Somit können die Ausnehmungen als Flussbarrieren wirken.According to at least one embodiment of the electrical machine, the recesses each border on at least one outside of the stator. It is possible for the recesses to adjoin an outside of the stator arranged on the outer circumference of the stator. The recesses can be open to the outside of the stator. It is also possible for the recesses to adjoin an inside of the stator. The recesses can be open to the inside of the stator. The recesses can therefore act as flow barriers.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine weist jeder zweite Zahn entlang des Umfangs des Stators eine der Ausnehmungen auf. Das kann bedeuten, dass jeder zweite Zahn entlang des Umfangs des Stators genau eine der Ausnehmungen aufweist. Dieser Aufbau des Stators kann dazu führen, dass die Flussdichte der Grundwelle wesentlich reduziert und die Flussdichte von mindestens einer harmonischen Komponente mit einer Ordnung von größer als 1 wesentlich erhöht ist.According to at least one embodiment of the electrical machine, every second tooth has one of the recesses along the circumference of the stator. This can mean that every second tooth along the circumference of the stator has exactly one of the recesses. This structure of the stator can result in the flux density of the fundamental wave being significantly reduced and the flux density of at least one harmonic component with an order greater than 1 being significantly increased.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine weist jeder Zahn eine der Ausnehmungen auf. Das kann bedeuten, dass in jedem Zahn genau eine der Ausnehmungen angeordnet ist. Dieser Aufbau kann dazu führen, dass die Flussdichte der Grundwelle mehr reduziert werden kann als für den Fall, dass nur jeder zweite Zahn eine der Ausnehmungen aufweist. Außerdem ist eine Erhöhung der Flussdichte von mindestens einer harmonischen Komponente mit der Ordnung von größer als 1 möglich.According to at least one embodiment of the electric machine, each tooth has one of the recesses. This can mean that exactly one of the recesses is arranged in each tooth. This structure can result in the flux density of the fundamental wave being able to be reduced more than in the case where only every second tooth has one of the recesses. In addition, an increase in the flux density of at least one harmonic component with an order greater than 1 is possible.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine weist der Stator höchstens so viele Ausnehmungen auf wie Nuten. So kann jeweils zwischen zwei Nuten eine Ausnehmung angeordnet sein. Dieser Aufbau des Stators kann dazu führen, dass die Flussdichte der Grundwelle wesentlich reduziert und die Flussdichte von mindestens einer harmonischen Komponente mit einer Ordnung von größer als 1 wesentlich erhöht ist.According to at least one embodiment of the electrical machine, the stator has at most as many recesses as there are grooves. A recess can therefore be arranged between two grooves. This structure of the stator can result in the flux density of the fundamental wave being significantly reduced and the flux density of at least one harmonic component with an order greater than 1 being significantly increased.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine weist der Stator mehr als sechs Zähne auf. Beispielsweise weist der Stator mindestens zehn Zähne oder mindestens 14 Zähne auf. Bei einer größeren Anzahl von Zähnen kann der Stator eine größere Anzahl von magnetischen Polen aufweisen.According to at least one embodiment of the electrical machine, the stator has more than six teeth. For example, the stator has at least ten teeth or at least 14 teeth. With a larger number of teeth, the stator can have a larger number of magnetic poles.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine sind in jeder Nut mindestens zwei Komponenten der elektrischen Wicklung angeordnet, welche dazu ausgelegt sind mit unterschiedlichen Phasenströmen versorgt zu werden. Beispielsweise können Leiterabschnitte von zwei verschiedenen Spulen der elektrischen Wicklung in einer Nut angeordnet sein. Somit können in jeder Nut mindestens zwei Leiterabschnitte von verschiedenen Spulen der elektrischen Wicklung angeordnet sein. Innerhalb von jeder Nut können die Leiterabschnitte der verschiedenen Spulen elektrisch voneinander isoliert sein. Somit können die Nuten einen Zwei-Schicht oder Mehr-Schicht-Aufbau aufweisen.According to at least one embodiment of the electrical machine, at least two components of the electrical winding are arranged in each slot, which are designed to be supplied with different phase currents. For example, conductor sections of two different coils of the electrical winding can be arranged in a groove. Thus, at least two conductor sections of different coils of the electrical winding can be arranged in each slot. Within each slot, the conductor portions of the various coils may be electrically isolated from one another. The grooves can therefore have a two-layer or multi-layer structure.

Es wird außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine angegeben. Die elektrische Maschine kann mit dem Verfahren betrieben werden. Alle Merkmale der beschriebenen elektrischen Maschine sind auch für das Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine offenbart und umgekehrt.A method for operating an electrical machine is also specified. The electric machine can be operated using the method. All features of the electrical machine described are also disclosed for the method for operating an electrical machine and vice versa.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Maschine umfasst das Verfahren das Betreiben der elektrischen Maschine mit einer Arbeitswelle der magnetomotorischen Kraft, wobei die Arbeitswelle verschieden von einer Grundwelle des Magnetflusses ist. Dass die elektrische Maschine betrieben wird, kann bedeuten, dass mit der elektrischen Maschine ein Drehmoment erzeugt wird. Somit wird die elektrische Maschine derart betrieben, dass zur Drehmomenterzeugung eine Arbeitswelle verwendet wird, welche verschieden von einer Grundwelle des Magnetflusses ist.According to at least one embodiment of the method for operating an electrical machine, the method includes operating the electrical machine with a working wave of the magnetomotive force, wherein the working wave is different from a fundamental wave of the magnetic flux. The fact that the electric machine is operated can mean that a torque is generated with the electric machine. The electric machine is therefore operated in such a way that a working shaft is used to generate torque, which is different from a fundamental wave of the magnetic flux.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist die elektrische Maschine einen Stator auf, welcher einen Statorkern, in welchem mindestens sechs Nuten angeordnet sind, eine verteilte elektrische Wicklung, welche zumindest teilweise in den Nuten angeordnet ist, und mindestens sechs Zähne aufweist, wobei die elektrische Maschine einen relativ zum Stator beweglichen Rotor aufweist, zwischen zwei benachbarten Nuten jeweils ein Zahn des Stators ausgebildet ist, und mindestens drei der Zähne eine Ausnehmung aufweisen, welche sich zumindest teilweise durch den jeweiligen Zahn erstreckt.According to at least one embodiment of the method, the electrical machine has a stator which has a stator core in which at least six slots are arranged, a distributed electrical winding which is at least partially arranged in the slots, and at least six teeth, the electrical machine one that is movable relative to the stator Rotor has, a tooth of the stator is formed between two adjacent grooves, and at least three of the teeth have a recess which extends at least partially through the respective tooth.

Das Verfahren weist die gleichen Vorteile wie die elektrische Maschine auf. Somit ermöglicht das Verfahren, dass die elektrische Maschine effizient betrieben wird.The process has the same advantages as the electric machine. The method thus enables the electrical machine to be operated efficiently.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird als Arbeitswelle eine Harmonische der magnetomotorischen Kraft verwendet, welche eine Ordnung von der Anzahl von Nuten plus 1 oder der Anzahl von Nuten minus 1 aufweist. Das kann bedeuten, dass die Anzahl von Nuten des Stators mit 1 addiert die Ordnung der harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft ergibt, welche als Arbeitswelle verwendet wird. Es ist auch möglich, dass die Anzahl von Nuten des Stators minus 1 gleich der Ordnung der harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft ist, welche als Arbeitswelle verwendet wird. Somit wird in beiden Fällen als Arbeitswelle eine harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft verwendet, welche eine Ordnung von größer als 1 hat. Bei diesen zwei Möglichkeiten der Ordnung der harmonischen Komponente, welche als Arbeitswelle verwendet wird, ist die Erhöhung der Flussdichte beziehungsweise des Wicklungsfaktors dadurch, dass die Ausnehmungen im Stator angeordnet sind, am höchsten. Somit eignen sich die harmonischen Komponenten mit diesen beiden Ordnungszahlen zur effizienten Drehmomenterzeugung.According to at least one embodiment of the method, a harmonic of the magnetomotive force is used as the working wave, which has an order of the number of grooves plus 1 or the number of grooves minus 1. This may mean that the number of slots of the stator added to 1 gives the order of the harmonic component of the magnetomotive force, which is used as the working shaft. It is also possible that the number of slots of the stator minus 1 is equal to the order of the harmonic component of the magnetomotive force, which is used as a working shaft. Thus, in both cases, a harmonic component of the magnetomotive force, which has an order of greater than 1, is used as the working wave. With these two options for ordering the harmonic component, which is used as the working wave, the increase in the flux density or the winding factor is the highest due to the fact that the recesses are arranged in the stator. The harmonic components with these two atomic numbers are therefore suitable for efficient torque generation.

Es ist weiter möglich, dass der Aufbau der elektrischen Wicklung sich n-mal entlang des Umfangs des Stators wiederholt, wobei n eine natürliche Zahl ist. In diesem Fall wird als Arbeitswelle eine Harmonische der magnetomotorischen Kraft verwendet, welche eine Ordnung von der Anzahl von Nuten plus n oder der Anzahl von Nuten minus n aufweist.It is further possible for the structure of the electrical winding to be repeated n times along the circumference of the stator, where n is a natural number. In this case, a harmonic of the magnetomotive force is used as the working wave, which has an order of the number of slots plus n or the number of slots minus n.

Es wird eine weitere elektrische Maschine angegeben. Jede hier beschriebene elektrische Maschine löst die zu lösende Aufgabe. Alle gleichen Merkmale oder gleich bezeichneten Merkmale der hier beschriebenen elektrischen Maschinen sind jeweils auch für die anderen elektrischen Maschinen offenbart und umgekehrt.Another electrical machine is specified. Every electrical machine described here solves the task to be solved. All the same features or identically designated features of the electrical machines described here are also disclosed for the other electrical machines and vice versa.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine umfasst die elektrische Maschine einen Stator, und einen relativ zum Stator beweglichen Rotor.According to at least one embodiment of the electrical machine, the electrical machine comprises a stator and a rotor that is movable relative to the stator.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine umfasst der Stator einen Statorkern, in welchem mindestens drei Nuten angeordnet sind.According to at least one embodiment of the electrical machine, the stator comprises a stator core in which at least three slots are arranged.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine umfasst der Stator mindestens drei Zähne und mindestens drei stabförmige elektrische Leiter. Die elektrischen Leiter können jeweils die Form eines Stabes aufweisen. Die elektrischen Leiter können ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen, beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Die elektrischen Leiter können sich jeweils parallel zur Rotationsachse des Rotors durch den Stator erstrecken. Die elektrischen Leiter können formfest, das kann bedeuten nicht biegbar, sein. Die elektrischen Leiter können dazu ausgelegt sein jeweils mit einer eigenen elektrischen Phase versorgt zu werden. Dazu kann jeder elektrische Leiter separat mit einer Leistungselektronik verbunden sein.According to at least one embodiment of the electrical machine, the stator comprises at least three teeth and at least three rod-shaped electrical conductors. The electrical conductors can each have the shape of a rod. The electrical conductors can comprise an electrically conductive material, for example copper or aluminum. The electrical conductors can each extend through the stator parallel to the axis of rotation of the rotor. The electrical conductors can be dimensionally stable, which can mean not bendable. The electrical conductors can each be designed to be supplied with their own electrical phase. For this purpose, each electrical conductor can be separately connected to power electronics.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine ist in den Nuten jeweils mindestens einer der Leiter angeordnet. In jeder Nut kann einer der Leiter angeordnet sein.According to at least one embodiment of the electrical machine, at least one of the conductors is arranged in the grooves. One of the conductors can be arranged in each slot.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine ist zwischen zwei benachbarten Nuten jeweils ein Zahn des Stators ausgebildet.According to at least one embodiment of the electrical machine, a tooth of the stator is formed between two adjacent slots.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine weisen mindestens drei der Zähne eine Ausnehmung auf, welche sich zumindest teilweise durch den jeweiligen Zahn erstreckt.According to at least one embodiment of the electric machine, at least three of the teeth have a recess which extends at least partially through the respective tooth.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine ist im Betrieb der elektrischen Maschine eine Arbeitswelle der magnetomotorischen Kraft verschieden von einer Grundwelle des Magnetflusses.According to at least one embodiment of the electric machine, a working wave of the magnetomotive force is different from a fundamental wave of the magnetic flux during operation of the electric machine.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine umfasst die elektrische Maschine einen Stator, und einen relativ zum Stator beweglichen Rotor, wobei der Stator einen Statorkern, in welchem mindestens drei Nuten angeordnet sind, umfasst, der Stator mindestens drei Zähne und mindestens drei stabförmige elektrische Leiter umfasst, in den Nuten jeweils mindestens einer der Leiter angeordnet ist, zwischen zwei benachbarten Nuten jeweils ein Zahn des Stators ausgebildet ist, mindestens drei der Zähne eine Ausnehmung aufweisen, welche sich zumindest teilweise durch den jeweiligen Zahn erstreckt, im Betrieb der elektrischen Maschine eine Arbeitswelle der magnetomotorischen Kraft verschieden von einer Grundwelle des Magnetflusses ist.According to at least one embodiment of the electrical machine, the electrical machine comprises a stator and a rotor movable relative to the stator, the stator comprising a stator core in which at least three slots are arranged, the stator comprising at least three teeth and at least three rod-shaped electrical conductors , at least one of the conductors is arranged in the grooves, a tooth of the stator is formed between two adjacent grooves, at least three of the teeth have a recess which extends at least partially through the respective tooth, a working shaft during operation of the electrical machine magnetomotive force is different from a fundamental wave of the magnetic flux.

Die elektrische Maschine weist die oben beschriebenen Vorteile auf. Statt einer verteilten elektrischen Wicklung werden hier die elektrisch leitfähigen Stäbe verwendet. Auch in diesem Aufbau führt das Anordnen von Ausnehmungen im Stator dazu, dass die Flussdichte der Grundwelle reduziert wird gegenüber der Situation, dass keine Ausnehmungen im Stator angeordnet sind. Außerdem kann die Flussdichte für mindestens eine harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft mit einer Ordnung von größer als 1 erhöht sein für den Fall, dass der Stator Ausnehmungen aufweist im Vergleich zu dem Fall, dass der Stator keine Ausnehmungen aufweist.The electric machine has the advantages described above. Instead of a distributed one The electrically conductive rods are used here for the electrical winding. In this structure too, the arrangement of recesses in the stator results in the flux density of the fundamental wave being reduced compared to the situation in which no recesses are arranged in the stator. In addition, the flux density for at least one harmonic component of the magnetomotive force with an order greater than 1 may be increased in the case where the stator has recesses compared to the case where the stator has no recesses.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine sind die drei Leiter an einer Seite des Stators elektrisch kurzgeschlossen. Die drei Leiter können an der ersten Seite des Stators elektrisch kurzgeschlossen sein. Dazu kann an der ersten Seite des Stators ein Kurzschlussring angeordnet sein. Der Kurzschlussring kann ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen. Die Leiter können elektrisch leitfähig mit dem Kurzschlussring verbunden sein. An der zweiten Seite des Stators können die Leiter mit einer Leistungselektronik verbunden sein. Somit können die Leiter jeweils mit einer eigenen elektrischen Phase versorgt werden.According to at least one embodiment of the electrical machine, the three conductors are electrically short-circuited on one side of the stator. The three conductors can be electrically short-circuited on the first side of the stator. For this purpose, a short-circuit ring can be arranged on the first side of the stator. The short-circuit ring can have an electrically conductive material. The conductors can be connected to the short-circuit ring in an electrically conductive manner. On the second side of the stator, the conductors can be connected to power electronics. This means that the conductors can each be supplied with their own electrical phase.

Es wird außerdem ein weiteres Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine angegeben. Die weitere elektrische Maschine kann mit dem weiteren Verfahren betrieben werden. Alle gleichen Merkmale oder gleich bezeichneten Merkmale der hier beschriebenen elektrischen Maschinen und Verfahren sind jeweils auch für die anderen elektrischen Maschinen und Verfahren offenbart und umgekehrt.A further method for operating an electrical machine is also specified. The further electrical machine can be operated with the further method. All the same features or identically designated features of the electrical machines and methods described here are also disclosed for the other electrical machines and methods and vice versa.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Maschine umfasst das Verfahren das Betreiben der elektrischen Maschine mit einer Arbeitswelle der magnetomotorischen Kraft, wobei die Arbeitswelle verschieden von einer Grundwelle des Magnetflusses ist.According to at least one embodiment of the method for operating an electrical machine, the method includes operating the electrical machine with a working wave of the magnetomotive force, wherein the working wave is different from a fundamental wave of the magnetic flux.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Maschine weist die elektrische Maschine einen Stator auf, welcher einen Statorkern, in welchem mindestens drei Nuten angeordnet sind, mindestens drei Zähne, und mindestens drei stabförmige elektrische Leiter aufweist, die elektrische Maschine einen relativ zum Stator beweglichen Rotor aufweist, in den Nuten jeweils mindestens einer der Leiter angeordnet ist, zwischen zwei benachbarten Nuten jeweils ein Zahn des Stators ausgebildet ist, und mindestens drei der Zähne eine Ausnehmung aufweisen, welche sich zumindest teilweise durch den jeweiligen Zahn erstreckt.According to at least one embodiment of the method for operating an electrical machine, the electrical machine has a stator, which has a stator core in which at least three grooves are arranged, at least three teeth, and at least three rod-shaped electrical conductors, the electrical machine has one relative to the stator movable rotor, at least one of the conductors is arranged in the grooves, a tooth of the stator is formed between two adjacent grooves, and at least three of the teeth have a recess which extends at least partially through the respective tooth.

Im Folgenden werden die elektrische Maschine und das Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine in Verbindung mit Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.The electrical machine and the method for operating an electrical machine are explained in more detail below in conjunction with exemplary embodiments and the associated figures.

Mit den 1A, 1B, 1C, 1D und 1E wird ein Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine beschrieben. Außerdem wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Maschine beschrieben.With the 1A , 1B , 1C , 1D and 1E An exemplary embodiment of the electrical machine is described. In addition, an exemplary embodiment of the method for operating an electrical machine is described.

Mit den 2A, 2B, 2C, 2D und 2E wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine beschrieben.With the 2A , 2 B , 2C , 2D and 2E A further exemplary embodiment of the electrical machine is described.

Mit den 3A, 3B, 3C, 3D und 3E wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine beschrieben.With the 3A , 3B , 3C , 3D and 3E A further exemplary embodiment of the electrical machine is described.

Mit den 4A, 4B, 4C, 4D und 4E wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine beschrieben.With the 4A , 4B , 4C , 4D and 4E A further exemplary embodiment of the electrical machine is described.

Mit den 5A, 5B, 5C, 5D und 5E wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine beschrieben.With the 5A , 5B , 5C , 5D and 5E A further exemplary embodiment of the electrical machine is described.

Mit den 6A, 6B, 6C, 6D und 6E wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine beschrieben.With the 6A , 6B , 6C , 6D and 6E A further exemplary embodiment of the electrical machine is described.

Mit den 7A, 7B, 7C, 7D und 7E wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine beschrieben. With the 7A , 7B , 7C , 7D and 7E A further exemplary embodiment of the electrical machine is described.

Mit den 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F und 8G wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine beschrieben.With the 8A , 8B , 8C , 8D , 8E , 8F and 8G A further exemplary embodiment of the electrical machine is described.

Mit den 9A, 9B, 9C, 9D und 9E wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine beschrieben.With the 9A , 9B , 9C , 9D and 9E A further exemplary embodiment of the electrical machine is described.

Mit den 10A, 10B, 10C, 10D und 10E wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine beschrieben.With the 10A , 10B , 10C , 10D and 10E A further exemplary embodiment of the electrical machine is described.

Mit den 11A, 11B, 11C, 11D und 11E wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine beschrieben.With the 11A , 11B , 11C , 11D and 11E A further exemplary embodiment of the electrical machine is described.

1A zeigt einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die elektrische Maschine 20 umfasst einen Stator 21 und einen relativ zum Stator 21 beweglichen Rotor 22. Der Rotor 22 ist innerhalb des Stators 21 angeordnet. Der in 1A gezeigte Querschnitt erstreckt sich in einer Ebene, welche senkrecht zur Rotationsachse des Rotors 22 verläuft. 1A shows a cross section through an electrical machine 20 according to an exemplary embodiment. The electrical machine 20 includes a stator 21 and a rotor 22 that is movable relative to the stator 21. The rotor 22 is arranged within the stator 21. The in 1A Cross section shown extends in a plane which is perpendicular to the axis of rotation of the rotor 22.

Der Stator 21 weist einen Statorkern 23 auf, in welchem sechs Nuten 24 angeordnet sind. Zwischen dem Stator 21 und dem Rotor 22 ist ein Luftspalt 34 angeordnet. Die Nuten 24 sind jeweils zum Luftspalt 34 hin geöffnet. Der Stator 21 weist weiter eine verteilte Wicklung 25, welche zumindest teilweise in den Nuten 24 angeordnet ist, auf. Die verteilte Wicklung 25 kann mindestens drei Spulen 28 aufweisen. Außerdem weist der Stator 21 sechs Zähne 26 auf, wobei zwischen zwei benachbarten Nuten 24 jeweils ein Zahn 26 ausgebildet ist. Die verteilte Wicklung 25 zeichnet sich dadurch aus, dass die Spulen 28 der Wicklung 25 nicht jeweils nur um einen Zahn 26 gewickelt sind. Im Ausführungsbeispiel in 1A sind jeweils Leiterabschnitte 35 derselben Spule 28 der elektrischen Wicklung 25 in insgesamt zwei verschiedenen Nuten 24 angeordnet. Jede Spule 28 kann aus einer Vielzahl von Leiterabschnitten 35 zusammengesetzt sein. Somit sind die Spulen 28 jeweils um mindestens zwei der Zähne 26 gewickelt. In 1A bezeichnen die Buchstaben in den Nuten 24 jeweils dieselbe Phase. Die Pluszeichen und Minuszeichen zeigen die Richtung des elektrischen Stroms durch die jeweiligen Leiterabschnitte 35 im Betrieb der elektrischen Maschine 20 an. Somit fließt der Strom im Betrieb der elektrischen Maschine 20 in allen Leiterabschnitten 35, welche mit Plus bezeichnet sind in die gleiche Richtung. In den Leiterabschnitten 35, welche mit Minus bezeichnet sind, fließt der Strom im Betrieb der elektrischen Maschine 20 in die entgegengesetzte Richtung.The stator 21 has a stator core 23 in which six slots 24 are arranged. An air gap 34 is arranged between the stator 21 and the rotor 22. The grooves 24 are each open towards the air gap 34. The stator 21 further has a distributed winding 25, which is at least partially arranged in the slots 24. The distributed winding 25 may have at least three coils 28. In addition, the stator 21 has six teeth 26, with one tooth 26 being formed between two adjacent grooves 24. The distributed winding 25 is characterized in that the coils 28 of the winding 25 are not only wound around one tooth 26 each. In the exemplary embodiment in 1A conductor sections 35 of the same coil 28 of the electrical winding 25 are arranged in a total of two different grooves 24. Each coil 28 can be composed of a plurality of conductor sections 35. Thus, the coils 28 are each wound around at least two of the teeth 26. In 1A the letters in the grooves 24 each designate the same phase. The plus signs and minus signs indicate the direction of the electrical current through the respective conductor sections 35 during operation of the electrical machine 20. Thus, during operation of the electrical machine 20, the current flows in the same direction in all conductor sections 35, which are designated plus. In the conductor sections 35, which are labeled minus, the current flows in the opposite direction during operation of the electrical machine 20.

Die Zähne 26 weisen jeweils eine Ausnehmung 27 auf, welche sich durch den jeweiligen Zahn 26 erstreckt. Die Ausnehmungen 27 sind frei von der elektrischen Wicklung 25. Es ist auch möglich, dass in jeder Ausnehmung 27 mindestens ein Verbindungsstück angeordnet ist. Solche Verbindungsstücke sind in den Figuren nicht dargestellt.The teeth 26 each have a recess 27 which extends through the respective tooth 26. The recesses 27 are free of the electrical winding 25. It is also possible for at least one connecting piece to be arranged in each recess 27. Such connecting pieces are not shown in the figures.

Die Ausnehmungen 27 erstrecken sich jeweils in einer radialen Richtung r, wobei die radialen Richtungen r jeweils parallel zu einem Radius im Querschnitt durch den Stator 21 verlaufen und der Radius durch den jeweiligen Zahn 26 verläuft. Entlang der jeweiligen radialen Richtung r erstrecken sich die Ausnehmungen 27 weiter als die benachbarten Nuten 24. In den Ausnehmungen 27 ist jeweils ein nicht magnetisches Material 29 angeordnet, zum Beispiel Luft. Die Ausnehmungen 27 grenzen jeweils an eine Außenseite 30 und an eine Innenseite 33 des Stators 21 an. Es ist jedoch auch möglich, dass sich die Ausnehmungen 27 weniger weit als in 1A gezeigt entlang der radialen Richtungen r erstrecken. Die Ausnehmungen 27, die Nuten 24 und die Zähne 26 sind jeweils gleichmäßig entlang des Umfangs des Stators 21 verteilt. Der Stator 21 weist genauso viele Ausnehmungen 27 auf wie Nuten 24.The recesses 27 each extend in a radial direction r, the radial directions r each running parallel to a radius in the cross section through the stator 21 and the radius running through the respective tooth 26. Along the respective radial direction r, the recesses 27 extend further than the adjacent grooves 24. A non-magnetic material 29 is arranged in the recesses 27, for example air. The recesses 27 each border on an outside 30 and an inside 33 of the stator 21. However, it is also possible that the recesses 27 are less wide than in 1A shown extending along the radial directions r. The recesses 27, the grooves 24 and the teeth 26 are each evenly distributed along the circumference of the stator 21. The stator 21 has as many recesses 27 as grooves 24.

Im Betrieb der elektrischen Maschine 20 ist eine Arbeitswelle der magnetomotorischen Kraft verschieden von einer Grundwelle des Magnetflusses. Somit wird die elektrische Maschine 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Maschine 20 mit einer Arbeitswelle der magnetomotorischen Kraft betrieben, welche verschieden von einer Grundwelle des Magnetflusses ist.During operation of the electric machine 20, a working wave of the magnetomotive force is different from a fundamental wave of the magnetic flux. Thus, according to an exemplary embodiment of the method for operating an electric machine 20, the electrical machine 20 is operated with a working wave of the magnetomotive force that is different from a fundamental wave of the magnetic flux.

In 1B ist zum Vergleich der Aufbau aus 1A ohne die Ausnehmungen 27 gezeigt.In 1B is the structure for comparison 1A shown without the recesses 27.

In 1C ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 aufgetragen. Auf der x-Achse ist der Winkel entlang des Luftspalts 34 aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei bezieht sich die gestrichelte Linie auf den in 1B gezeigten Aufbau. Die durchgezogene Linie bezieht sich auf das Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 aus 1A.In 1C the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is plotted. The angle along the air gap 34 is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The dashed line refers to the in 1B structure shown. The solid line refers to the exemplary embodiment of the electrical machine 20 1A .

In 1D ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 nach harmonischen Komponenten aufgeschlüsselt aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei beziehen sich die ausgefüllten Balken auf den in 1B gezeigten Aufbau. Die leeren Balken beziehen sich auf das in 1A gezeigte Ausführungsbeispiel. In 1D ist somit ersichtlich, dass die Flussdichte der Grundwelle für das Ausführungsbeispiel in 1A deutlich reduziert ist, nämlich um 72 %, im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist. Um wie viel Prozent die Flussdichte jeweils erhöht oder verringert ist, ist in 1D jeweils neben den entsprechenden Balken angegeben. Außerdem ist für die harmonischen Komponenten der Ordnungen 5 und 7 für das Ausführungsbeispiel aus 1A die Flussdichte um 72 % erhöht im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist.In 1D the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is broken down into harmonic components. The order of the harmonic components of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The filled bars refer to the in 1B structure shown. The empty bars refer to the in 1A shown embodiment. In 1D It can therefore be seen that the flux density of the fundamental wave for the exemplary embodiment in 1A is significantly reduced, namely by 72%, compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27. The percentage by which the flux density is increased or decreased is in 1D indicated next to the corresponding bars. In addition, for the harmonic components of orders 5 and 7 for the exemplary embodiment 1A the flux density increases by 72% compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27.

Das Ausführungsbeispiel aus 1A ermöglicht somit, dass als Arbeitswelle eine harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft verwendet wird, deren Ordnung verschieden von 1 ist. In diesem Fall bietet es sich an als Arbeitswelle eine Harmonische der magnetomotorischen Kraft zu verwenden, welche eine Ordnung von 5 oder 7 hat. Das bedeutet, dass als Arbeitswelle eine Harmonische der magnetomotorischen Kraft verwendet wird, welche eine Ordnung von der Anzahl von Nuten 24 plus 1 oder der Anzahl von Nuten 24 minus 1 aufweist.The exemplary embodiment 1A thus allows a harmonic component of the magnetomotive force whose order is different from 1 to be used as the working wave. In this case, it makes sense to use a harmonic of the magnetomotive force as the working wave which has an order of 5 or 7. This means that a harmonic of the magnetomotive force is used as the working wave, which has an order of the number of grooves 24 plus 1 or the number of grooves 24 minus 1.

In 1E ist der Wicklungsfaktor der elektrischen Maschine 20 aus 1A aufgetragen. Dazu ist auf der x-Achse die Ordnung der harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist der äquivalente Wicklungsfaktor aufgetragen. Bei der Berechnung des Wicklungsfaktors wurden auch die Ausnehmungen 27 berücksichtigt. Somit ergibt sich für die Harmonischen der Ordnungen 5 und 7 ein Wicklungsfaktor von deutlich über 1, nämlich etwa 1,7. Das bedeutet, dass auch die Berechnung des Wicklungsfaktors zeigt, dass die elektrische Maschine 20 aus 1A mit einer Arbeitswelle, welche eine harmonische Komponente der Ordnung 5 oder 7 der magnetomotorischen Kraft ist, effizient betrieben werden kann.In 1E is the winding factor of the electrical machine 20 1A applied. For this purpose, the order of the harmonic component of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The equivalent winding factor is plotted on the y-axis. The recesses 27 were also taken into account when calculating the winding factor. This results in a winding factor of well over 1 for the harmonics of orders 5 and 7, namely around 1.7. This means that the calculation of the winding factor also shows that the electrical machine 20 is off 1A can be operated efficiently with a working shaft, which is a harmonic component of order 5 or 7 of the magnetomotive force.

Hier und in den folgenden Ausführungsbeispielen kann die elektrische Maschine 20 einen Rotor 22 mit Permanentmagneten und einer Anzahl von Polpaaren aufweisen, wobei die Anzahl der Polpaare der Ordnung der harmonischen Komponente entspricht, welche als Arbeitswelle verwendet wird.Here and in the following exemplary embodiments, the electric machine 20 may have a rotor 22 with permanent magnets and a number of pole pairs, the number of pole pairs corresponding to the order of the harmonic component which is used as the working wave.

In 2A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 gezeigt. Im Unterschied zu dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel, weist der Stator 21 des Ausführungsbeispiels aus 2A insgesamt zwölf Nuten 24 und zwölf Zähne 26 auf. Die elektrische Wicklung 25 ist auf die zwölf Nuten 24 verteilt. Die elektrische Wicklung 25 weist für jede Phase zwei Spulen 28 auf, das heißt, zwei für die Phase A, zwei für die Phase B und zwei für die Phase C. Dabei sind jeweils zwei Leiterabschnitte 35 einer Phase, in welchen im Betrieb Strom in die gleiche Richtung fließt, entlang des Umfangs des Stators 21 nebeneinander angeordnet. Der Stator 21 weist insgesamt sechs Ausnehmungen 27 auf. Somit weist jeder zweite Zahn 26 entlang des Umfangs des Stators 21 eine Ausnehmung 27 auf. Die Leiterabschnitte 35 sind in der gleichen Weise wie in 1A beschriftet.In 2A a further exemplary embodiment of the electrical machine 20 is shown. In contrast to that in 1A shown embodiment, the stator 21 of the embodiment 2A a total of twelve grooves 24 and twelve teeth 26. The electrical winding 25 is distributed over the twelve slots 24. The electrical winding 25 has two coils 28 for each phase, that is, two for phase A, two for phase B and two for phase C. There are two conductor sections 35 of a phase in which current flows into the phase during operation flows in the same direction, arranged next to each other along the circumference of the stator 21. The stator 21 has a total of six recesses 27. Thus, every second tooth 26 has a recess 27 along the circumference of the stator 21. The conductor sections 35 are in the same way as in 1A labeled.

Die Ausnehmungen 27 sind jeweils in den Zähnen 26 angeordnet, welche sich zwischen zwei Nuten 24 befinden, in welchen Leiterabschnitte 35 von zwei Spulen 28 verschiedener Phase angeordnet sind. Die Zähne 26, welche zwischen zwei Nuten 24 angeordnet sind, in welchen Leiterabschnitte 35 derselben Phase angeordnet sind, sind frei von Ausnehmungen 27.The recesses 27 are each arranged in the teeth 26, which are located between two grooves 24, in which conductor sections 35 of two coils 28 of different phases are arranged. The teeth 26, which are arranged between two grooves 24, in which conductor sections 35 of the same phase are arranged, are free of recesses 27.

In 2B ist zum Vergleich der Aufbau aus 2A ohne die Ausnehmungen 27 gezeigt.In 2 B is the structure for comparison 2A shown without the recesses 27.

In 2C ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 aufgetragen. Auf der x-Achse ist der Winkel entlang des Luftspalts 34 aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei bezieht sich die gestrichelte Linie auf den in 2B gezeigten Aufbau. Die durchgezogene Linie bezieht sich auf das Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 aus 2A.In 2C the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is plotted. The angle along the air gap 34 is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The dashed line refers to the in 2 B structure shown. The solid line refers to the exemplary embodiment of the electrical machine 20 2A .

In 2D ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 nach harmonischen Komponenten aufgeschlüsselt aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei beziehen sich die ausgefüllten Balken auf den in 2B gezeigten Aufbau. Die leeren Balken beziehen sich auf das in 2A gezeigte Ausführungsbeispiel. Die Grundwelle ist um 74 % reduziert im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist. Außerdem ist für die harmonischen Komponenten der Ordnungen 5, 7, 11 und 13 für das Ausführungsbeispiel aus 2A die Flussdichte erhöht im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist.In 2D the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is broken down into harmonic components. The order of the harmonic components of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The filled bars refer to the in 2 B structure shown. The empty bars refer to the in 2A shown embodiment. The fundamental wave is reduced by 74% compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27. In addition, for the harmonic components of orders 5, 7, 11 and 13 for the exemplary embodiment 2A the flux density increases compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27.

In 2E ist der Wicklungsfaktor der elektrischen Maschine 20 aus 2A aufgetragen. Dazu ist auf der x-Achse die Ordnung der harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist der äquivalente Wicklungsfaktor aufgetragen. Somit ergibt sich für die Harmonischen der Ordnungen 11 und 13 ein Wicklungsfaktor von deutlich über 1, nämlich etwa 1,7. Für das Ausführungsbeispiel aus 2A kann somit die harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft der Ordnung 11 oder 13 für einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine 20 als Arbeitswelle verwendet werden. Das bedeutet, dass auch hier als Arbeitswelle eine Harmonische der magnetomotorischen Kraft verwendet wird, welche eine Ordnung von der Anzahl von Nuten 24 plus 1 oder der Anzahl von Nuten 24 minus 1 aufweist.In 2E is the winding factor of the electrical machine 20 2A applied. For this purpose, the order of the harmonic component of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The equivalent winding factor is plotted on the y-axis. This results in a winding factor of well over 1 for the harmonics of orders 11 and 13, namely approximately 1.7. For the exemplary embodiment 2A The harmonic component of the magnetomotive force of order 11 or 13 can therefore be used as a working shaft for efficient operation of the electrical machine 20. This means that here too a harmonic of the magnetomotive force is used as the working wave, which has an order of the number of grooves 24 plus 1 or the number of grooves 24 minus 1.

In 3A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 gezeigt. Im Unterschied zu dem in 2A gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen 27 jeweils in den Zähnen 26 angeordnet, welche zwischen zwei Nuten 24 angeordnet sind, in welchen Leiterabschnitte 35 derselben Phase angeordnet sind. Die Zähne 26, welche sich zwischen zwei Nuten 24 befinden, in welchen Leiterabschnitte 35 von Spulen 28 zwei verschiedener Phasen angeordnet sind, sind frei von Ausnehmungen 27.In 3A a further exemplary embodiment of the electrical machine 20 is shown. In contrast to that in 2A In the exemplary embodiment shown, the recesses 27 are each arranged in the teeth 26, which are arranged between two grooves 24, in which conductor sections 35 of the same phase are arranged. The teeth 26, which are located between two grooves 24, in which conductor sections 35 of coils 28 of two different phases are arranged, are free of recesses 27.

In 3B ist zum Vergleich der Aufbau aus 3A ohne die Ausnehmungen 27 gezeigt.In 3B is the structure for comparison 3A shown without the recesses 27.

In 3C ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 aufgetragen. Auf der x-Achse ist der Winkel entlang des Luftspalts 34 aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei bezieht sich die gestrichelte Linie auf den in 3B gezeigten Aufbau. Die durchgezogene Linie bezieht sich auf das Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 aus 3A.In 3C the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is plotted. The angle along the air gap 34 is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The dashed line refers to the in 3B structure shown. The solid line refers to the exemplary embodiment of the electrical machine 20 3A .

In 3D ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 nach harmonischen Komponenten aufgeschlüsselt aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei beziehen sich die ausgefüllten Balken auf den in 3B gezeigten Aufbau. Die leeren Balken beziehen sich auf das in 3A gezeigte Ausführungsbeispiel. Die Grundwelle ist um 75 % reduziert im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist. Außerdem ist für die harmonischen Komponenten der Ordnungen 5, 7, 11 und 13 für das Ausführungsbeispiel aus 3A die Flussdichte erhöht im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist.In 3D the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is broken down into harmonic components. The order of the harmonic components of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The filled bars refer to the in 3B structure shown. The empty bars refer to the in 3A shown embodiment. The fundamental wave is reduced by 75% compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27. In addition, for the harmonic components of orders 5, 7, 11 and 13 for the exemplary embodiment 3A the flux density increases compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27.

In 3E ist der Wicklungsfaktor der elektrischen Maschine 20 aus 3A aufgetragen. Dazu ist auf der x-Achse die Ordnung der harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist der äquivalente Wicklungsfaktor aufgetragen. Somit ergibt sich für die Harmonischen der Ordnungen 11 und 13 ein Wicklungsfaktor von deutlich über 1, nämlich etwa 1,7. Für das Ausführungsbeispiel aus 3A kann somit die harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft der Ordnung 11 oder 13 für einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine 20 als Arbeitswelle verwendet werden.In 3E is the winding factor of the electrical machine 20 3A applied. For this purpose, the order of the harmonic component of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The equivalent winding factor is plotted on the y-axis. This results in a winding factor of well over 1 for the harmonics of orders 11 and 13, namely approximately 1.7. For the exemplary embodiment 3A The harmonic component of the magnetomotive force of order 11 or 13 can therefore be used as a working shaft for efficient operation of the electrical machine 20.

In 4A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 gezeigt. Im Unterschied zu dem in 2A gezeigten Ausführungsbeispiel weist jeder Zahn 26 eine Ausnehmung 27 auf.In 4A a further exemplary embodiment of the electrical machine 20 is shown. In contrast to that in 2A In the exemplary embodiment shown, each tooth 26 has a recess 27.

In 4B ist zum Vergleich der Aufbau aus 4A ohne die Ausnehmungen 27 gezeigt.In 4B is the structure for comparison 4A shown without the recesses 27.

In 4C ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 aufgetragen. Auf der x-Achse ist der Winkel entlang des Luftspalts 34 aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei bezieht sich die gestrichelte Linie auf den in 4B gezeigten Aufbau. Die durchgezogene Linie bezieht sich auf das Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 aus 4A.In 4C the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is plotted. The angle along the air gap 34 is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The dashed line refers to the in 4B structure shown. The solid line refers to the exemplary embodiment of the electrical machine 20 4A .

In 4D ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 nach harmonischen Komponenten aufgeschlüsselt aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei beziehen sich die ausgefüllten Balken auf den in 4B gezeigten Aufbau. Die leeren Balken beziehen sich auf das in 4A gezeigte Ausführungsbeispiel. Die Grundwelle ist um 87 % reduziert im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist. Außerdem ist für die harmonischen Komponenten der Ordnungen 5, 7, 11 und 13 für das Ausführungsbeispiel aus 4A die Flussdichte erhöht im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist.In 4D the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is broken down into harmonic components. The order of the harmonic components of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The filled bars refer to the in 4B structure shown. The empty bars refer to the in 4A shown embodiment. The fundamental wave is reduced by 87% compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27. In addition, for the harmonic components of orders 5, 7, 11 and 13 for the exemplary embodiment 4A the flux density increases compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27.

In 4E ist der Wicklungsfaktor der elektrischen Maschine 20 aus 4A aufgetragen. Dazu ist auf der x-Achse die Ordnung der harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist der äquivalente Wicklungsfaktor aufgetragen. Somit ergibt sich für die Harmonischen der Ordnungen 11 und 13 ein Wicklungsfaktor von deutlich über 1, nämlich etwa 1,8. Für das Ausführungsbeispiel aus 4A kann somit die harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft der Ordnung 11 oder 13 für einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine 20 als Arbeitswelle verwendet werden.In 4E is the winding factor of the electrical machine 20 4A applied. For this purpose, the order of the harmonic component of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The equivalent winding factor is plotted on the y-axis. This results in a winding factor of well over 1 for the harmonics of orders 11 and 13, namely approximately 1.8. For the exemplary embodiment 4A The harmonic component of the magnetomotive force of order 11 or 13 can therefore be used as a working shaft for efficient operation of the electrical machine 20.

In 5A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 gezeigt. Im Unterschied zu dem in 2A gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Stator 21 insgesamt zehn Nuten 24 und zehn Zähne 26 auf. Die elektrische Wicklung 25 weist fünf Spulen 28 auf. Jeder Spule 28 ist eine Phase zugeordnet, welche in 5A mit den Buchstaben gekennzeichnet sind. Das heißt, jede Spule 28 ist dazu ausgelegt mit einem eigenen Phasenstrom versorgt zu werden. Der Stator 21 weist außerdem in jedem Zahn 26 eine Ausnehmung 27 auf. Also weist der Stator 21 zehn Ausnehmungen 27 auf.In 5A a further exemplary embodiment of the electrical machine 20 is shown. In contrast to that in 2A In the exemplary embodiment shown, the stator 21 has a total of ten grooves 24 and ten teeth 26. The electrical winding 25 has five coils 28. Each coil 28 is assigned a phase, which in 5A are marked with the letters. This means that each coil 28 is designed to be supplied with its own phase current. The stator 21 also has a recess 27 in each tooth 26. So the stator 21 has ten recesses 27.

In 5B ist zum Vergleich der Aufbau aus 5A ohne die Ausnehmungen 27 gezeigt.In 5B is the structure for comparison 5A shown without the recesses 27.

In 5C ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 aufgetragen. Auf der x-Achse ist der Winkel entlang des Luftspalts 34 aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei bezieht sich die gestrichelte Linie auf den in 5B gezeigten Aufbau. Die durchgezogene Linie bezieht sich auf das Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 aus 5A.In 5C the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is plotted. The angle along the air gap 34 is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The dashed line refers to the in 5B structure shown. The solid line refers to the exemplary embodiment of the electrical machine 20 5A .

In 5D ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 nach harmonischen Komponenten aufgeschlüsselt aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei beziehen sich die ausgefüllten Balken auf den in 5B gezeigten Aufbau. Die leeren Balken beziehen sich auf das in 5A gezeigte Ausführungsbeispiel. Die Grundwelle ist um 84 % reduziert im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist. Außerdem ist für die harmonischen Komponenten der Ordnungen 9 und 11 für das Ausführungsbeispiel aus 5A die Flussdichte erhöht im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist.In 5D the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is broken down into harmonic components. The order of the harmonic components of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The filled bars refer to the in 5B structure shown. The empty bars refer to the in 5A shown embodiment. The fundamental wave is reduced by 84% compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27. In addition, for the harmonic components of orders 9 and 11 for the exemplary embodiment 5A the flux density increases compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27.

In 5E ist der Wicklungsfaktor der elektrischen Maschine 20 aus 5A aufgetragen. Dazu ist auf der x-Achse die Ordnung der harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist der äquivalente Wicklungsfaktor aufgetragen. Somit ergibt sich für die Harmonischen der Ordnungen 9 und 11 ein Wicklungsfaktor von deutlich über 1, nämlich etwa 1,8. Für das Ausführungsbeispiel aus 5A kann somit die harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft der Ordnung 9 oder 11 für einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine 20 als Arbeitswelle verwendet werden.In 5E is the winding factor of the electrical machine 20 5A applied. For this purpose, the order of the harmonic component of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The equivalent winding factor is plotted on the y-axis. This results in a winding factor of well over 1 for the harmonics of orders 9 and 11, namely around 1.8. For the exemplary embodiment 5A The harmonic component of the magnetomotive force of order 9 or 11 can therefore be used as a working shaft for efficient operation of the electrical machine 20.

In 6A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 gezeigt. Im Unterschied zu dem in 5A gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Stator 21 insgesamt zwanzig Nuten 24 und zwanzig Zähne 26 auf. Die elektrische Wicklung 25 weist weiterhin fünf Phasen auf, wobei für jede Phase insgesamt vier Nuten 24 vorgesehen sind. Die elektrische Wicklung 25 weist pro Phase zwei Spulen 28, also insgesamt zehn Spulen 28 auf. Der Stator 21 weist außerdem in jedem Zahn 26 eine Ausnehmung 27 auf. Also weist der Stator 21 zwanzig Ausnehmungen 27 auf.In 6A a further exemplary embodiment of the electrical machine 20 is shown. In contrast to that in 5A In the exemplary embodiment shown, the stator 21 has a total of twenty grooves 24 and twenty teeth 26. The electrical winding 25 also has five phases, with a total of four slots 24 being provided for each phase. The electrical winding 25 has two coils 28 per phase, i.e. a total of ten coils 28. The stator 21 also has a recess 27 in each tooth 26. So the stator 21 has twenty recesses 27.

In 6B ist zum Vergleich der Aufbau aus 6A ohne die Ausnehmungen 27 gezeigt.In 6B is the structure for comparison 6A shown without the recesses 27.

In 6C ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 aufgetragen. Auf der x-Achse ist der Winkel entlang des Luftspalts 34 aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei bezieht sich die gestrichelte Linie auf den in 6B gezeigten Aufbau. Die durchgezogene Linie bezieht sich auf das Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 aus 6A.In 6C the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is plotted. The angle along the air gap 34 is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The dashed line refers to the in 6B structure shown. The solid line refers to the exemplary embodiment of the electrical machine 20 6A .

In 6D ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 nach harmonischen Komponenten aufgeschlüsselt aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei beziehen sich die ausgefüllten Balken auf den in 6B gezeigten Aufbau. Die leeren Balken beziehen sich auf das in 6A gezeigte Ausführungsbeispiel. Die Grundwelle ist um 93 % reduziert im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist. Außerdem ist für die harmonischen Komponenten der Ordnungen 19 und 21 für das Ausführungsbeispiel aus 6A die Flussdichte erhöht im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist.In 6D the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is broken down into harmonic components. The order of the harmonic components of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The filled bars refer to the in 6B structure shown. The empty bars refer to the in 6A shown embodiment. The fundamental wave is reduced by 93% compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27. In addition, for the harmonic components of orders 19 and 21 for the exemplary embodiment 6A the flux density increases compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27.

In 6E ist der Wicklungsfaktor der elektrischen Maschine 20 aus 6A aufgetragen. Dazu ist auf der x-Achse die Ordnung der harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist der äquivalente Wicklungsfaktor aufgetragen. Somit ergibt sich für die Harmonischen der Ordnungen 19 und 21 ein Wicklungsfaktor von deutlich über 1, nämlich etwa 1,9. Für das Ausführungsbeispiel aus 6A kann somit die harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft der Ordnung 19 oder 21 für einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine 20 als Arbeitswelle verwendet werden.In 6E is the winding factor of the electrical machine 20 6A applied. For this purpose, the order of the harmonic component of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The equivalent winding factor is plotted on the y-axis. This results in a winding factor of well over 1 for the harmonics of orders 19 and 21, namely approximately 1.9. For the exemplary embodiment 6A The harmonic component of the magnetomotive force of order 19 or 21 can therefore be used as a working shaft for efficient operation of the electrical machine 20.

In 7A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 gezeigt. Im Unterschied zu dem in 5A gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Stator 21 insgesamt vierzehn Nuten 24 und vierzehn Zähne 26 auf. Die elektrische Wicklung 25 weist sieben Phasen auf, wobei für jede Phase zwei Nuten 24 vorgesehen sind. Die elektrische Wicklung 25 weist pro Phase eine Spule 28, also insgesamt sieben Spulen 28 auf. Der Stator 21 weist außerdem in jedem Zahn 26 eine Ausnehmung 27 auf. Also weist der Stator 21 vierzehn Ausnehmungen 27 auf.In 7A a further exemplary embodiment of the electrical machine 20 is shown. In contrast to that in 5A In the exemplary embodiment shown, the stator 21 has a total of fourteen grooves 24 and fourteen teeth 26. The electrical winding 25 has seven phases, with two slots 24 being provided for each phase. The electrical winding 25 has one coil 28 per phase, i.e. a total of seven coils 28. The stator 21 also has a recess 27 in each tooth 26. So the stator 21 has fourteen recesses 27.

In 7B ist zum Vergleich der Aufbau aus 7A ohne die Ausnehmungen 27 gezeigt.In 7B is the structure for comparison 7A shown without the recesses 27.

In 7C ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 aufgetragen. Auf der x-Achse ist der Winkel entlang des Luftspalts 34 aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei bezieht sich die gestrichelte Linie auf den in 7B gezeigten Aufbau. Die durchgezogene Linie bezieht sich auf das Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 aus 7A.In 7C the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is plotted. The angle along the air gap 34 is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The dashed line refers to the in 7B structure shown. The solid line refers to the exemplary embodiment of the electrical machine 20 7A .

In 7D ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 nach harmonischen Komponenten aufgeschlüsselt aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei beziehen sich die ausgefüllten Balken auf den in 7B gezeigten Aufbau. Die leeren Balken beziehen sich auf das in 7A gezeigte Ausführungsbeispiel. Die Grundwelle ist um 89 % reduziert im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist. Außerdem ist für die harmonischen Komponenten der Ordnungen 13 und 15 für das Ausführungsbeispiel aus 7A die Flussdichte erhöht im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist.In 7D the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is broken down into harmonic components. The order of the harmonic components of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The filled bars refer to the in 7B structure shown. The empty bars refer to the in 7A shown embodiment. The fundamental wave is reduced by 89% compared to the case that the electric one Machine 20 has no recesses 27. In addition, for the harmonic components of orders 13 and 15 for the exemplary embodiment 7A the flux density increases compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27.

In 7E ist der Wicklungsfaktor der elektrischen Maschine 20 aus 7A aufgetragen. Dazu ist auf der x-Achse die Ordnung der harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist der äquivalente Wicklungsfaktor aufgetragen. Somit ergibt sich für die Harmonischen der Ordnungen 13 und 15 ein Wicklungsfaktor von deutlich über 1, nämlich etwa 1,9. Für das Ausführungsbeispiel aus 7A kann somit die harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft der Ordnung 13 oder 15 für einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine 20 als Arbeitswelle verwendet werden.In 7E is the winding factor of the electrical machine 20 7A applied. For this purpose, the order of the harmonic component of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The equivalent winding factor is plotted on the y-axis. This results in a winding factor of well over 1 for the harmonics of orders 13 and 15, namely approximately 1.9. For the exemplary embodiment 7A The harmonic component of the magnetomotive force of order 13 or 15 can therefore be used as a working shaft for efficient operation of the electrical machine 20.

In 8A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 gezeigt. Im Unterschied zu dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel, weist der Stator 21 insgesamt sieben Nuten 24 und sieben Zähne 26 auf. Außerdem weist der Stator 21 sieben stabförmige elektrische Leiter 31 auf. In den Nuten 24 ist jeweils einer der Leiter 31 angeordnet. Die Leiter 31 erstrecken sich von einer ersten Seite 36 des Stators 21 bis zu einer zweiten Seite 37 des Stators 21. Die elektrische Wicklung 25 weist somit keine Spulen 28 auf. Weiter weist der Stator 21 sieben Ausnehmungen 27 auf. Dabei weist jeder Zahn 26 eine Ausnehmung 27 auf.In 8A a further exemplary embodiment of the electrical machine 20 is shown. In contrast to that in 1A In the exemplary embodiment shown, the stator 21 has a total of seven grooves 24 and seven teeth 26. In addition, the stator 21 has seven rod-shaped electrical conductors 31. One of the conductors 31 is arranged in the grooves 24. The conductors 31 extend from a first side 36 of the stator 21 to a second side 37 of the stator 21. The electrical winding 25 therefore has no coils 28. The stator 21 also has seven recesses 27. Each tooth 26 has a recess 27.

An der ersten Seite 36 des Stators 21 sind die Leiter 31 elektrisch kurzgeschlossen. Dazu sind die Leiter 31 elektrisch mit einem Kurzschlussring 32 verbunden, der an der ersten Seite 36 des Stators 21 angeordnet ist. An der zweiten Seite 37 sind die Leiter 31 mit einer Leistungselektronik verbunden, so dass jeder Leiter 31 mit einer eigenen Phase versorgt werden kann. Somit weist die elektrische Maschine 20 sieben Phasen auf.On the first side 36 of the stator 21, the conductors 31 are electrically short-circuited. For this purpose, the conductors 31 are electrically connected to a short-circuit ring 32, which is arranged on the first side 36 of the stator 21. On the second side 37, the conductors 31 are connected to power electronics so that each conductor 31 can be supplied with its own phase. The electrical machine 20 therefore has seven phases.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Maschine 20 wird die elektrische Maschine 20 aus 8A derart betrieben, dass eine Arbeitswelle der magnetomotorischen Kraft verschieden von einer Grundwelle des Magnetflusses ist.According to one embodiment of the method for operating an electrical machine 20, the electrical machine 20 is turned off 8A operated such that a working wave of the magnetomotive force is different from a fundamental wave of the magnetic flux.

In 8B ist zum Vergleich der Aufbau aus 8A ohne die Ausnehmungen 27 gezeigt.In 8B is the structure for comparison 8A shown without the recesses 27.

In 8C ist die elektrische Maschine 20 aus 8A ohne den Kurzschlussring 32.In 8C the electrical machine 20 is off 8A without the short-circuit ring 32.

In 8D ist zum Vergleich der Aufbau aus 8C ohne die Ausnehmungen 27 gezeigt.In 8D is the structure for comparison 8C shown without the recesses 27.

In 8E ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 aufgetragen. Auf der x-Achse ist der Winkel entlang des Luftspalts 34 aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei bezieht sich die gestrichelte Linie auf den in 8B gezeigten Aufbau. Die durchgezogene Linie bezieht sich auf das Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 aus 8A.In 8E the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is plotted. The angle along the air gap 34 is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The dashed line refers to the in 8B structure shown. The solid line refers to the exemplary embodiment of the electrical machine 20 8A .

In 8F ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 nach harmonischen Komponenten aufgeschlüsselt aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei beziehen sich die ausgefüllten Balken auf den in 8B gezeigten Aufbau. Die leeren Balken beziehen sich auf das in 8A gezeigte Ausführungsbeispiel. Die Grundwelle ist um 76 % reduziert im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist. Außerdem ist für die harmonischen Komponenten der Ordnungen 6 und 8 für das Ausführungsbeispiel aus 8A die Flussdichte erhöht im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist.In 8F the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is broken down into harmonic components. The order of the harmonic components of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The filled bars refer to the in 8B structure shown. The empty bars refer to the in 8A shown embodiment. The fundamental wave is reduced by 76% compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27. In addition, for the harmonic components of orders 6 and 8 for the exemplary embodiment 8A the flux density increases compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27.

In 8G ist der Wicklungsfaktor der elektrischen Maschine 20 aus 8A aufgetragen. Dazu ist auf der x-Achse die Ordnung der harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist der äquivalente Wicklungsfaktor aufgetragen. Somit ergibt sich für die Harmonischen der Ordnungen 6 und 8 ein Wicklungsfaktor von deutlich über 1, nämlich etwa 1,7. Für das Ausführungsbeispiel aus 8A kann somit die harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft der Ordnung 6 oder 8 für einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine 20 als Arbeitswelle verwendet werden.In 8G is the winding factor of the electrical machine 20 8A applied. For this purpose, the order of the harmonic component of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The equivalent winding factor is plotted on the y-axis. This results in a winding factor of well over 1 for the harmonics of orders 6 and 8, namely around 1.7. For the exemplary embodiment 8A The harmonic component of the magnetomotive force of order 6 or 8 can therefore be used as a working shaft for efficient operation of the electrical machine 20.

In 9A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 gezeigt. Im Unterschied zu dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel sind in jeder Nut 24 zwei Komponenten der elektrischen Wicklung 25 angeordnet, welche dazu ausgelegt sind mit unterschiedlichen Phasenströmen versorgt zu werden. Es handelt sich bei der elektrischen Wicklung 25 somit um eine 3-phasige Zwei-Schicht-Wicklung 25. In jeder Nut 24 sind Leiterabschnitte 35 von zwei verschiedenen Spulen 28 der Wicklung 25 angeordnet. In 9A a further exemplary embodiment of the electrical machine 20 is shown. In contrast to that in 1A In the exemplary embodiment shown, two components of the electrical winding 25 are arranged in each groove 24, which are designed to be supplied with different phase currents. The electrical winding 25 is therefore a 3-phase two-layer winding 25. Conductor sections 35 of two different coils 28 of the winding 25 are arranged in each groove 24.

Das bedeutet, in jeder Nut 24 sind Leiterabschnitte 35 von zwei Phasen angeordnet. Dabei sind Leiterabschnitte 35 derselben Phase jeweils in benachbarten Nuten 24 angeordnet. So sind zum Beispiel zwei Leiterabschnitte 35 der Phase A+ in zwei benachbarten Nuten 24 angeordnet. In jedem Zahn 26 ist eine Ausnehmung 27 angeordnet.This means that conductor sections 35 of two phases are arranged in each groove 24. Conductor sections 35 of the same phase are each arranged in adjacent grooves 24. For example, two conductor sections 35 of phase A+ are arranged in two adjacent grooves 24. A recess 27 is arranged in each tooth 26.

In 9B ist zum Vergleich der Aufbau aus 9A ohne die Ausnehmungen 27 gezeigt.In 9B is the structure for comparison 9A shown without the recesses 27.

In 9C ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 aufgetragen. Auf der x-Achse ist der Winkel entlang des Luftspalts 34 aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei bezieht sich die gestrichelte Linie auf den in 9B gezeigten Aufbau. Die durchgezogene Linie bezieht sich auf das Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 aus 9A.In 9C the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is plotted. The angle along the air gap 34 is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The dashed line refers to the in 9B structure shown. The solid line refers to the exemplary embodiment of the electrical machine 20 9A .

In 9D ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 nach harmonischen Komponenten aufgeschlüsselt aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei beziehen sich die ausgefüllten Balken auf den in 9B gezeigten Aufbau. Die leeren Balken beziehen sich auf das in 9A gezeigte Ausführungsbeispiel. Die Grundwelle ist um 72 % reduziert im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist. Außerdem ist für die harmonischen Komponenten der Ordnungen 5 und 7 für das Ausführungsbeispiel aus 9A die Flussdichte erhöht im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist.In 9D the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is broken down into harmonic components. The order of the harmonic components of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The filled bars refer to the in 9B structure shown. The empty bars refer to the in 9A shown embodiment. The fundamental wave is reduced by 72% compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27. In addition, for the harmonic components of orders 5 and 7 for the exemplary embodiment 9A the flux density increases compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27.

In 9E ist der Wicklungsfaktor der elektrischen Maschine 20 aus 9A aufgetragen. Dazu ist auf der x-Achse die Ordnung der harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist der äquivalente Wicklungsfaktor aufgetragen. Somit ergibt sich für die Harmonischen der Ordnungen 5 und 7 ein Wicklungsfaktor von deutlich über 1, nämlich etwa 1,5. Für das Ausführungsbeispiel aus 9A kann somit die harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft der Ordnung 5 oder 7 für einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine 20 als Arbeitswelle verwendet werden.In 9E is the winding factor of the electrical machine 20 9A applied. For this purpose, the order of the harmonic component of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The equivalent winding factor is plotted on the y-axis. This results in a winding factor of well over 1 for the harmonics of orders 5 and 7, namely around 1.5. For the exemplary embodiment 9A The harmonic component of the magnetomotive force of order 5 or 7 can therefore be used as a working shaft for efficient operation of the electrical machine 20.

In 10A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 gezeigt. Im Unterschied zu dem in 9A gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Stator 21 zwölf Nuten 24 und zwölf Zähne 26 auf. In jeder Nut 24 sind zwei Komponenten der elektrischen Wicklung 25 angeordnet, welche dazu ausgelegt sind mit unterschiedlichen Phasenströmen versorgt zu werden. Es handelt sich bei der elektrischen Wicklung 25 somit um eine 3-phasige Zwei-Schicht-Wicklung 25. Die Leiterabschnitte 35 einer Richtung einer Phase sind auf drei nebeneinanderliegende Nuten 24 verteilt. So sind beispielsweise zwei Leiterabschnitte 35 der Phase A+ in derselben Nut 24 angeordnet. In den dazu benachbarten Nuten 24 ist jeweils ein Leiterabschnitt 35 der Phase A+ angeordnet. Somit sind zwei Leiterabschnitte 35 derselben Phase um eine Nut 24 verschoben zu anderen Leiterabschnitten 35 derselben Phase angeordnet. Dies gilt für alle Phasen. Der Stator 21 weist in jedem Zahn 26 eine Ausnehmung 27 auf.In 10A a further exemplary embodiment of the electrical machine 20 is shown. In contrast to that in 9A In the exemplary embodiment shown, the stator 21 has twelve grooves 24 and twelve teeth 26. Two components of the electrical winding 25 are arranged in each groove 24, which are designed to be supplied with different phase currents. The electrical winding 25 is therefore a 3-phase two-layer winding 25. The conductor sections 35 in one direction of a phase are distributed over three adjacent slots 24. For example, two conductor sections 35 of phase A+ are arranged in the same groove 24. A conductor section 35 of phase A+ is arranged in each of the adjacent grooves 24. Thus, two conductor sections 35 of the same phase are arranged offset by a groove 24 relative to other conductor sections 35 of the same phase. This applies to all phases. The stator 21 has a recess 27 in each tooth 26.

In 10B ist zum Vergleich der Aufbau aus 10A ohne die Ausnehmungen 27 gezeigt.In 10B is the structure for comparison 10A shown without the recesses 27.

In 10C ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 aufgetragen. Auf der x-Achse ist der Winkel entlang des Luftspalts 34 aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei bezieht sich die gestrichelte Linie auf den in 10B gezeigten Aufbau. Die durchgezogene Linie bezieht sich auf das Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 aus 10A.In 10C the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is plotted. The angle along the air gap 34 is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The dashed line refers to the in 10B structure shown. The solid line refers to the exemplary embodiment of the electrical machine 20 10A .

In 10D ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 nach harmonischen Komponenten aufgeschlüsselt aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei beziehen sich die ausgefüllten Balken auf den in 10B gezeigten Aufbau. Die leeren Balken beziehen sich auf das in 10A gezeigte Ausführungsbeispiel. Die Grundwelle ist um 87 % reduziert im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist. Außerdem ist für die harmonischen Komponenten der Ordnungen 11 und 13 für das Ausführungsbeispiel aus 10A die Flussdichte erhöht im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist.In 10D the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is broken down into harmonic components. The order of the harmonic components of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The filled bars refer to the in 10B structure shown. The empty bars refer to the in 10A shown embodiment. The fundamental wave is reduced by 87% compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27. In addition, for the harmonic components of orders 11 and 13 for the exemplary embodiment 10A the flux density increases compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27.

In 10E ist der Wicklungsfaktor der elektrischen Maschine 20 aus 10A aufgetragen. Dazu ist auf der x-Achse die Ordnung der harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist der äquivalente Wicklungsfaktor aufgetragen. Somit ergibt sich für die Harmonischen der Ordnungen 11 und 13 ein Wicklungsfaktor von deutlich über 1, nämlich etwa 1,7. Für das Ausführungsbeispiel aus 10A kann somit die harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft der Ordnung 11 oder 13 für einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine 20 als Arbeitswelle verwendet werden.In 10E is the winding factor of the electrical machine 20 10A applied. For this purpose, the order of the harmonic component of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The equivalent winding factor is plotted on the y-axis. This results in a winding factor of well over 1 for the harmonics of orders 11 and 13, namely approximately 1.7. For the exemplary embodiment 10A The harmonic component of the magnetomotive force of order 11 or 13 can therefore be used as a working shaft for efficient operation of the electrical machine 20.

In 11A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 gezeigt. Im Unterschied zu dem in 10A gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Leiterabschnitte 35 einer Phase und einer Richtung auf vier Nuten 24 verteilt. Das bedeutet zum Beispiel, dass Leiterabschnitte 35 der Phase A+ in vier verschiedenen Nuten 24 angeordnet sind. Dabei sind jeweils zwei Leiterabschnitte 35 derselben Phase und Richtung in den Nuten 24 näher an der Außenseite 30 des Stators 21 als an der Innenseite 33 des Stators 21 angeordnet und zwei Leiterabschnitte 35 derselben Phase und Richtung sind näher an der Innenseite 33 des Stators 21 als an der Außenseite 30 des Stators 21 angeordnet. Der Stator 21 weist in jedem Zahn 26 eine Ausnehmung 27 auf.In 11A a further exemplary embodiment of the electrical machine 20 is shown. In contrast to that in 10A In the exemplary embodiment shown, the conductor sections 35 of one phase and one direction are distributed over four grooves 24. This means, for example, that conductor sections 35 of phase A+ are arranged in four different grooves 24. Two conductor sections 35 of the same phase and direction are arranged in the grooves 24 closer to the outside 30 of the stator 21 than to the inside 33 of the stator 21 and two conductor sections 35 of the same phase and direction are arranged closer to the inside 33 of the stator 21 than to the outside 30 of the stator 21. The stator 21 has a recess 27 in each tooth 26.

In 11B ist zum Vergleich der Aufbau aus 11A ohne die Ausnehmungen 27 gezeigt.In 11B is the structure for comparison 11A shown without the recesses 27.

In 11C ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 aufgetragen. Auf der x-Achse ist der Winkel entlang des Luftspalts 34 aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei bezieht sich die gestrichelte Linie auf den in 11B gezeigten Aufbau. Die durchgezogene Linie bezieht sich auf das Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 aus 11A.In 11C the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is plotted. The angle along the air gap 34 is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The dashed line refers to the in 11B structure shown. The solid line refers to the exemplary embodiment of the electrical machine 20 11A .

In 11D ist die Flussdichte im Luftspalt 34 der elektrischen Maschine 20 nach harmonischen Komponenten aufgeschlüsselt aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Flussdichte aufgetragen. Dabei beziehen sich die ausgefüllten Balken auf den in 11B gezeigten Aufbau. Die leeren Balken beziehen sich auf das in 11A gezeigte Ausführungsbeispiel. Die Grundwelle ist um 87 % reduziert im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist. Außerdem ist für die harmonischen Komponenten der Ordnungen 11 und 13 für das Ausführungsbeispiel aus 11A die Flussdichte erhöht im Vergleich zu dem Fall, dass die elektrische Maschine 20 keine Ausnehmungen 27 aufweist.In 11D the flux density in the air gap 34 of the electrical machine 20 is broken down into harmonic components. The order of the harmonic components of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The flux density is plotted on the y-axis. The filled bars refer to the in 11B structure shown. The empty bars refer to the in 11A shown embodiment. The fundamental wave is reduced by 87% compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27. In addition, for the harmonic components of orders 11 and 13 for the exemplary embodiment 11A the flux density increases compared to the case where the electrical machine 20 has no recesses 27.

In 11E ist der Wicklungsfaktor der elektrischen Maschine 20 aus 11A aufgetragen. Dazu ist auf der x-Achse die Ordnung der harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft aufgetragen. Auf der y-Achse ist der äquivalente Wicklungsfaktor aufgetragen. Somit ergibt sich für die Harmonischen der Ordnungen 11 und 13 ein Wicklungsfaktor von deutlich über 1, nämlich etwa 1,6. Für das Ausführungsbeispiel aus 11A kann somit die harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft der Ordnung 11 oder 13 für einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine 20 als Arbeitswelle verwendet werden.In 11E is the winding factor of the electrical machine 20 11A applied. For this purpose, the order of the harmonic component of the magnetomotive force is plotted on the x-axis. The equivalent winding factor is plotted on the y-axis. This results in a winding factor of well over 1 for the harmonics of orders 11 and 13, namely approximately 1.6. For the exemplary embodiment 11A The harmonic component of the magnetomotive force of order 11 or 13 can therefore be used as a working shaft for efficient operation of the electrical machine 20.

BezugszeichenlisteReference symbol list

2020: Elektrische MaschineElectric machine
2121: Statorstator
2222: Rotorrotor
2323: StatorkernStator core
2424: NutNut
2525: elektrische Wicklungelectrical winding
2626: ZahnTooth
2727: Ausnehmungrecess
2828: SpuleKitchen sink
2929: nicht magnetisches Materialnon-magnetic material
3030: AußenseiteOutside
3131: stabförmige elektrische Leiterrod-shaped electrical conductors
3232: KurzschlussringShort circuit ring
3333: Innenseiteinside
3434: Luftspaltair gap
3535: LeiterabschnittLadder section
3636: erste Seitefirst page
3737: zweite Seitesecond page
rr: radiale Richtungradial direction

Claims

Electric machine (20) comprising: - a stator (21), and - a rotor (22) movable relative to the stator (21), whereby - the stator (21) comprises a stator core (23) in which at least six slots (24) are arranged, - the stator (21) comprises a distributed electrical winding (25), which is at least partially arranged in the slots (24), - the stator (21) comprises at least six teeth (26), - a tooth (26) of the stator (21) is formed between two adjacent grooves (24), - at least three of the teeth (26) have a recess (27) which extends at least partially through the respective tooth (26), and - During operation of the electrical machine (20), a working wave of the magnetomotive force is different from a fundamental wave of the magnetic flux.

Electrical machine (20) according to the preceding claim, wherein the electrical winding (25) has coils (28) which are each wound around at least two of the teeth (26).

Electrical machine (20) according to one of the preceding claims, wherein the recesses (27) are free of the electrical winding (25).

Electrical machine (20) according to one of the preceding claims, wherein the recesses (27) each extend in a radial direction (r), the radial directions (r) each running parallel to a radius in a cross section through the stator (21). and the radius runs through the respective tooth (26).

Electrical machine (20) according to the preceding claim, wherein the recesses (27) extend further along the respective radial direction (r) than the adjacent grooves (24).

Electrical machine (20) according to one of the preceding claims, wherein a non-magnetic material (29) is arranged in each of the recesses (27).

Electrical machine (20) according to one of the preceding claims, wherein the recesses (27) are evenly distributed along the circumference of the stator (21).

Electrical machine (20) according to one of the preceding claims, wherein the recesses (27) each adjoin at least one outer side (30) of the stator (21).

Electric machine (20) according to one of the preceding claims, wherein each tooth (26) has one of the recesses (27).

Electric machine (20) according to one of Claims 1 until 8th , wherein every second tooth (26) has one of the recesses (27) along the circumference of the stator (21).

Electrical machine (20) according to one of the preceding claims, wherein the stator (21) has at most as many recesses (27) as grooves (24).

Electric machine (20) according to one of the preceding claims, wherein the stator (21) has more than six teeth (26).

Electrical machine (20) according to one of the preceding claims, wherein at least two components of the electrical winding (25) are arranged in each slot (24), which are designed to be supplied with different phase currents.

Electric machine (20) comprising: - a stator (21), and - a rotor (22) movable relative to the stator (21), whereby - the stator (21) comprises a stator core (23) in which at least three grooves (24) are arranged, - the stator (21) comprises at least three teeth (26) and at least three rod-shaped electrical conductors (31), - at least one of the conductors (31) is arranged in the grooves (24), - a tooth (26) of the stator (21) is formed between two adjacent grooves (24), - at least three of the teeth (26) have a recess (27) which extends at least partially through the respective tooth (26), - During operation of the electrical machine (20), a working wave of the magnetomotive force is different from a fundamental wave of the magnetic flux.

Electric machine (20) according to the preceding claim, wherein the three conductors (31) are electrically short-circuited on one side of the stator (21).

Method for operating an electrical machine (20), the method comprising: - Operating the electric machine (20) with a working wave of the magnetomotive force, the working wave being different from a fundamental wave of the magnetic flux, wherein - The electrical machine (20) has a stator (21), which has a stator core (23), in which at least six slots (24) are arranged, a distributed electrical winding (25), which is at least partially arranged in the slots (24). is, and has at least six teeth (26), - the electrical machine (20) has a rotor (22) that is movable relative to the stator (21), - A tooth (26) of the stator (21) is formed between two adjacent grooves (24), and - At least three of the teeth (26) have a recess (27) which extends at least partially through the respective tooth (26).

Method according to the preceding claim, wherein a harmonic of the magnetomotive force is used as the working wave, which has an order of the number of grooves (24) plus 1 or the number of grooves (24) minus 1.

Method for operating an electrical machine (20), the method comprising: - Operating the electric machine (20) with a working wave of the magnetomotive force, the working wave being different from a fundamental wave of the magnetic flux, wherein - the electrical machine (20) has a stator (21), which has a stator core (23) in which at least three grooves (24) are arranged, at least three teeth (26), and at least three rod-shaped electrical conductors (31), - the electrical machine (20) has a rotor (22) that is movable relative to the stator (21), - at least one of the conductors (31) is arranged in the grooves (24), - A tooth (26) of the stator (21) is formed between two adjacent grooves (24), and - At least three of the teeth (26) have a recess (27) which extends at least partially through the respective tooth (26).